Aços CrMnNi metaestáveis ​​processados ​​por fusão em leito de pó a laser: avaliação experimental de mecanismos elementares que contribuem para microestrutura, propriedades e tensão residual

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21862 (2022) Citar este artigo

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A complexa história térmica imposta pelo processo de fusão de metais em leito de pó baseado em laser (PBF-LB/M) é conhecida por promover a evolução de microestruturas únicas. No presente estudo, aços CrMnNi metaestáveis ​​com diferentes teores de níquel e, portanto, diferentes estabilidades de fase são fabricados pelo PBF-LB/M. Os resultados revelam claramente que uma escolha adequada de materiais permitirá adaptar as propriedades mecânicas, bem como os estados de tensão residual no material as-built para eventualmente redundantizar qualquer pós-tratamento térmico. As diferenças químicas levam a diferentes constituições de fases em condições as-built e, assim, afetam a evolução da microestrutura e os mecanismos elementares de deformação após a deformação, ou seja, geminação e transformação martensítica. Tais ligas projetadas para fabricação aditiva (AM) destacam a possibilidade de enfrentar desafios bem conhecidos na AM, como tolerância limitada a danos, porosidade e estados de tensão residual prejudiciais, sem realizar quaisquer pós-tratamentos, por exemplo, alívio de tensão e prensagem isostática a quente. Do ponto de vista do design robusto de componentes AM, na verdade parece ser uma abordagem muito eficaz para adaptar o material às características do processo de AM.

Na última década, os processos de fabricação aditiva (AM), como a fusão de metais em leito de pó à base de laser (PBF-LB/M) (também conhecida como fusão em leito de pó a laser (LPBF) ou fusão seletiva a laser (SLM)), evoluíram de técnicas usadas apenas para prototipagem para fabricação direta. A construção em camadas combinada com a liberdade de design sem precedentes é atraente para muitas indústrias, por exemplo, engenharia aeroespacial e médica. Especialmente a fabricação sem ferramentas é uma vantagem, por exemplo, em termos de individualização, produções de pequenos lotes e otimização avançada de topologia são de extrema importância para peças leves1.

As condições de resfriamento inerentes ao processo e a dinâmica do banho de fusão, respectivamente, no processo PBF-LB/M geralmente resultam em microestruturas únicas; no entanto, características vantajosas são geralmente acompanhadas por tensões residuais prejudiciais e defeitos de material como porosidade2,3,4. As altas tensões podem ser atribuídas aos pequenos tamanhos da poça de fusão e às altas taxas de resfriamento. A porosidade geralmente resulta de combinações inadequadas de parâmetros do processo ou pode ser introduzida pelo próprio pó. Impulsionados por diferentes setores industriais, a liga de titânio Ti6Al4V, a superliga à base de níquel Inconel 718 (IN718) e o aço inoxidável austenítico 316L foram foco de numerosos estudos e relações relevantes entre processo e propriedade foram estudadas detalhadamente5,6,7,8. Nos últimos anos, a gama de ligas processadas pelas tecnologias AM foi ampliada rapidamente, por exemplo, ligas de alumínio, aços para ferramentas e até mesmo materiais inteligentes entraram no foco da pesquisa9,10,11,12,13. Os metais AM podem ser caracterizados por propriedades mecânicas diferentes das de seus equivalentes fabricados convencionalmente, por exemplo, aumento da resistência ou mesmo alteração no módulo de Young . No processo PBF-LB/M, a microestrutura construída das ligas do tipo 316L tende a desenvolver grãos grossos. Esses grãos, que são principalmente alongados na direção de construção (BD), levam ao desenvolvimento de uma orientação cristalográfica preferida, resultando eventualmente em propriedades mecânicas anisotrópicas . O desenvolvimento de tais microestruturas anisotrópicas é atribuído principalmente ao fluxo de calor direcional, solidificação/crescimento epitaxial e resfriamento rápido, bem como à ausência de qualquer transformação de fase dentro do processo de resfriamento. Evolução microestrutural semelhante, isto é, grãos grossos e textura forte, foi mostrada para IN718 processado por PBF-LB / M e fusão de metais em leito de pó por feixe de elétrons (PBF-EB / M) também . Os aços austeníticos com grãos grossos geralmente apresentam alta ductilidade em detrimento da resistência. No entanto, o 316L fabricado aditivamente apresenta resistência ao escoamento (YS) significativamente maior combinada com alta ductilidade quando comparado aos equivalentes fabricados convencionalmente. Isto é atribuído às estruturas de subgrãos que eventualmente aumentam a resistência de acordo com a relação Hall-Petch . Portanto, o PBF/LB-M representa um processo promissor para superar o trade-off resistência-ductilidade21,22.